다양한 버스에서 선택할 수 있는 수백 개의 서로 다른 데이터 수집 (DAQ) 디바이스가 있는 경우, 어플리케이션 요구에 적합한 버스를 선택하기가 어려울 수 있습니다.
버스는 서로 다른 장점을 가지고 있으며 처리량, 대기 시간, 이식성 또는 호스트와의 거리에 최적화되어 있습니다.
DAQ 버스를 선택할 때 고려해야할 5가지 사항
1. 버스를 통해 스트리밍되는 데이터의 양
모든 PC 버스는 일정 시간 동안 전송할 수 있는 데이터 양에 제한이 있습니다. 이를 버스 대역폭이라고 하며 종종 초당 메가바이트(MB/s)로 지정됩니다. 어플리케이션에서 동적 파형 측정이 중요한 경우, 충분한 대역폭을 가진 버스를 고려해야 합니다.
선택한 버스에 따라 총 대역폭을 여러 장치 간에 공유하거나 특정 장치 전용으로 사용할 수 있습니다.
예를 들어, PCI 버스의 이론적 대역폭은 컴퓨터의 모든 PCI 보드 간에 공유되는 132MB/s입니다. 기가비트 이더넷은 서브넷 또는 네트워크의 장치 간에 공유되는 125MB/s를 제공합니다. PCI 익스프레스 및 PXI 익스프레스와 같이 전용 대역폭을 제공하는 버스는 디바이스당 최대 데이터 처리량을 제공합니다.
파형 측정을 수행할 때 신호가 얼마나 빨리 변하는지에 따라 달성해야 하는 특정 샘플링 속도와 분해능이 있습니다. 필요한 최소 대역폭은 샘플당 바이트 수(다음 바이트로 반올림)에 샘플링 속도를 곱한 다음 채널 수를 곱하여 계산할 수 있습니다.
예를 들어, 16개 채널에서 2 MS/s로 샘플링하는 4비트 디바이스 (<>바이트)는 다음과 같습니다.
버스 대역폭은 데이터 수집 속도를 지원할 수 있어야 하며 실제 시스템 대역폭은 이론적인 버스 제한보다 낮다는 점에 유의해야 합니다. 실제로 관찰된 대역폭은 시스템의 디바이스 수와 오버헤드의 추가 버스 트래픽에 따라 달라집니다. 많은 채널에서 많은 데이터를 스트리밍해야 하는 경우, DAQ 버스를 선택할 때 대역폭이 가장 중요한 고려 사항일 수 있습니다.
2. 단일 포인트 I/O 요구 사항
단일 지점 읽기 및 쓰기가 필요한 응용 프로그램은 종종 즉시 일관되게 업데이트되는 I/O 값에 의존합니다.
버스 아키텍처가 하드웨어와 소프트웨어 모두에서 구현되는 방식에 따라 단일 지점 I/O 요구 사항이 선택하는 버스의 결정 요인이 될 수 있습니다.
버스 대기 시간은 I/O의 응답성입니다. 드라이버 소프트웨어 함수가 호출되는 시점과 I/O의 실제 하드웨어 값이 업데이트되는 시점 사이의 시간 지연입니다.
선택한 버스에 따라 이 지연은 마이크로초 미만에서 몇 밀리초까지 다양할 수 있습니다.
예를 들어, 비례 적분 미분(PID) 제어 시스템에서 이 버스 대기 시간은 제어 루프의 최대 속도에 직접적인 영향을 줄 수 있습니다. 단일 지점 I/O 응용 프로그램의 또 다른 중요한 요소는 I/O가 적시에 얼마나 일관되게 실행될 수 있는지를 측정하는 결정성입니다. I/O와 통신할 때 항상 동일한 대기 시간을 갖는 버스는 응답성을 변경할 수 있는 버스보다 더 결정적입니다.
결정성은 제어 루프의 신뢰성에 직접적인 영향을 미치기 때문에 제어 애플리케이션에 중요하며, 많은 제어 알고리즘은 제어 루프가 항상 일정한 속도로 실행될 것으로 예상하여 설계되었습니다. 예상 속도에서 벗어나면 전체 제어 시스템의 효율성과 신뢰성이 떨어집니다. 따라서 폐쇄 루프 제어 응용 프로그램을 구현할 때는 무선, 이더넷 또는 USB와 같이 대기 시간이 길고 결정성이 좋지 않은 버스를 피해야 합니다.
통신 버스가 구현되는 방식의 소프트웨어 측면은 버스 대기 시간과 결정성에 큰 역할을 합니다. 실시간 OS를 지원하는 버스 및 소프트웨어 드라이버는 최고의 결정성을 제공하므로 최고의 성능을 제공합니다.
일반적으로 PCI Express 및 PXI Express와 같은 내부 버스는 USB 또는 무선과 같은 외부 버스보다 지연이 짧은 단일 포인트 I/O 어플리케이션에 더 적합합니다.
3. 동기화
많은 측정 시스템은 수백 개의 입력 채널을 동기화하든 여러 유형의 계측기를 동기화하든 복잡한 동기화 요구를 가지고 있습니다.
예를 들어, 자극-응답 시스템은 출력 채널이 입력 채널과 동일한 샘플 클럭 및 시작 트리거를 공유하여 I/O를 상호 연관시키고 결과를 더 잘 분석해야 할 수 있습니다. 서로 다른 버스의 DAQ 디바이스는 이를 수행하는 다양한 방법을 제공합니다. 여러 디바이스에서 측정을 동기화하는 가장 간단한 방법은 클럭과 트리거를 공유하는 것입니다.
여러 DAQ 디바이스는 클럭과 트리거를 모두 반입 및 반출하기 위한 프로그래밍 가능한 디지털 라인을 제공합니다. 일부 장치는 BNC 커넥터가 있는 특수 트리거 라인을 제공하기도 합니다.
이러한 외부 트리거 라인은 DAQ 하드웨어가 PC 인클로저 외부에 있기 때문에 USB 및 이더넷 디바이스에서 일반적입니다. 그러나 특정 버스에는 다중 장치 동기화를 최대한 쉽게 하기 위해 추가 타이밍 및 트리거링 라인이 내장되어 있습니다.
PCI 및 PCI Express 보드는 데스크탑 시스템의 여러 보드를 케이스 내부에서 직접 케이블로 연결할 수 있는 RTSI(실시간 시스템 통합) 버스를 제공합니다.
따라서 전면 커넥터를 통한 추가 배선이 필요하지 않으며 I/O 연결이 간소화됩니다.
여러 디바이스를 동기화하기 위한 최상의 버스 옵션은 PXI 및 PXI Express를 포함한 PXI 플랫폼입니다.
이 개방형 표준은 고성능 동기화 및 트리거링을 위해 특별히 설계되었으며, 동일한 섀시 내에서 I/O 모듈을 동기화하고 여러 섀시를 동기화하기 위한 다양한 옵션을 제공합니다.
4. 휴대성
휴대용 컴퓨팅의 극적인 채택은 부인할 수 없으며 PC 기반 데이터 수집을 통해 혁신할 수 있는 새로운 방법을 제공했습니다. 많은 애플리케이션에서 중요한 요소이며 한 버스를 다른 버스보다 선택하는 주된 이유가 될 수 있습니다.
예를 들어, 차량 내 DAQ 어플리케이션은 작고 운반이 용이한 하드웨어의 이점을 활용합니다. USB 및 이더넷과 같은 외부 버스는 빠른 하드웨어 설치 및 노트북 컴퓨터와의 호환성으로 휴대용 DAQ 시스템에 특히 적합합니다.
버스 전원 공급 USB 장치는 별도의 전원 공급 장치가 필요하지 않고 USB 포트의 전원이 꺼지기 때문에 추가적인 편의성을 제공합니다.
무선 데이터 전송 버스를 사용하는 것은 컴퓨터가 정지 상태를 유지하는 동안 측정 하드웨어 자체를 이식할 수 있기 때문에 휴대성을 위한 또 다른 좋은 옵션입니다.
5. 측정위치와 컴퓨터 간의 거리
필요한 측정과 컴퓨터 위치 사이의 거리는 응용 프로그램마다 크게 다를 수 있습니다. 최상의 신호 무결성과 측정 정확도를 얻으려면 DAQ 하드웨어를 신호 소스에 최대한 가깝게 배치해야 합니다. 이는 구조 상태 모니터링 또는 환경 모니터링에 사용되는 것과 같은 대규모 분산 측정의 경우 문제가 될 수 있습니다.
교량이나 공장 바닥을 가로질러 긴 케이블을 연결하는 것은 비용이 많이 들고 신호에 잡음이 발생할 수 있습니다. 이 문제에 대한 한 가지 해결책은 휴대용 컴퓨팅 플랫폼을 사용하여 전체 시스템을 신호 소스에 더 가깝게 이동하는 것입니다.
무선 기술을 사용하면 컴퓨터와 측정 하드웨어 간의 물리적 연결이 완전히 제거되고 분산 측정을 수행하고 데이터를 중앙 위치로 다시 전송할 수 있습니다.
가장 일반적인 버스 선택 가이드
앞서 설명한 1가지 질문을 바탕으로, 표 <>은 사용 가능한 가장 일반적인 데이터 수집 버스에 대한 선택 가이드를 보여줍니다.
표 1. 본 표는 NI 제품의 어플리케이션 요구사항에 기반한 버스 선택 가이드를 보여줍니다.
이론상 최대 데이터 스트리밍 속도는 PCI, PCI 익스프레스 1.0, PXI, PXI 익스프레스 1.0, USB 2.0, 기가비트 이더넷 및 Wi-Fi 802.11g 버스 사양을 기반으로 합니다.
이 표에서 이더넷 버스의 사용은 컴퓨터에 대한 직접 연결이 아닌 여러 장치를 포함하는 네트워크의 일부로 사용됩니다. 최대 처리량은 여러 요인에 의해 제한될 수 있습니다.
데이터 수집 버스 개요
그림 1은 내부 플러그인 옵션에서 핫 스왑 가능한 외부 버스에 이르기까지 NI 데이터 수집 제품의 PC-버스 계층으로 구성된 버스를 보여줍니다.
그림 1. 데이터 수집 요구 사항을 충족하기 위해 여러 버스 중에서 선택할 수 있습니다.
PCI
그림 2. PCI M 시리즈 다기능 DAQ
PCI(주변 구성 요소 상호 연결) 버스는 오늘날 가장 일반적으로 사용되는 내부 컴퓨터 버스 중 하나입니다. 132 MB/s의 공유 대역폭을 갖춘 PCI는 단일 포인트 제어 어플리케이션을 위한 고속 데이터 스트리밍 및 결정성있는 데이터 전송을 제공합니다.
최고 10 MS/s 및 최고 18 비트 해상도의 다기능 I/O 보드와 함께 PCI를 위한 다양한 DAQ 하드웨어 옵션이 있습니다.
PCI Express
그림 3. PCI 익스프레스 X 시리즈 다기능 DAQ
PCI 익스프레스, PCI의 진화, PC 업계에서 혁신의 새로운 수준을 제공합니다. PCI Express 아키텍처의 가장 큰 장점은 독립적인 데이터 전송 라인이 제공하는 전용 버스 대역폭입니다.
모든 디바이스에서 132 MB/s의 대역폭을 공유하는 PCI와 달리, PCI Express는 각각 최대 250 MB/s의 데이터 전송이 가능한 독립적인 데이터 레인을 사용합니다.
PCI Express 버스는 또한 단일 x1("하나씩"으로 발음) 데이터 레인에서 x16 데이터 레인으로 확장 가능하여 최대 처리량 4GB/s로 200GB 하드 드라이브를 <>분 이내에 채울 수 있습니다.
측정 어플리케이션의 경우 이는 더 높은 지속적인 샘플링 및 데이터 처리 속도를 의미하며 여러 디바이스가 버스에서 시간을 놓고 경쟁할 필요가 없습니다.
USB
그림 4. USB X 시리즈는 USB 포트가 있는 모든 컴퓨터에 데이터 수집 기능을 추가합니다.
USB(범용 직렬 버스)는 원래 키보드 및 마우스와 같은 주변 장치를 PC와 연결하도록 설계되었습니다. 그러나 측정 및 자동화를 포함한 다른 많은 어플리케이션에 유용한 것으로 입증되었습니다. USB는 데이터 수집 디바이스와 PC 간에 저렴하고 사용하기 쉬운 연결을 제공합니다.
USB 2.0의 이론적 최대 대역폭은 60MB/s이며, 이는 단일 USB 컨트롤러에 연결된 모든 장치에서 공유됩니다. USB 장치는 본질적으로 잠복하고 비결정적입니다. 즉, 단일 지점 데이터 전송이 예상한 시간에 정확하게 발생하지 않을 수 있으므로 PID와 같은 폐쇄 루프 제어 애플리케이션에는 USB가 권장되지 않습니다.
반면에 USB 버스에는 기존의 일부 내부 PC 버스보다 사용하기 쉬운 몇 가지 특성이 있습니다. USB를 사용하여 연결하는 장치는 핫 플러그가 가능하므로 장치를 추가하거나 제거하기 위해 PC를 종료할 필요가 없습니다.
버스에는 자동 장치 감지 기능도 있어 사용자가 장치를 연결한 후 수동으로 구성할 필요가 없습니다. 소프트웨어 드라이버가 설치되면 운영 체제가 자체적으로 장치를 감지하고 설치해야 합니다.
PXI 플랫폼
그림 5. PXI 플랫폼은 섀시, 컨트롤러 및 I/O 모듈로 구성됩니다.
계측용 PCI 확장 (PXI)은 데스크탑 PC 시스템과 하이엔드 VXI 및 GPIB 시스템 간의 격차를 해소하기 위해 개발되었습니다. 200개 이상의 회원사로 구성된 PXI Systems Alliance는 본 개방형 표준을 유지하고 있으며, 2006년에는 PXI Express 데이터 전송 기술을 PXI 플랫폼에 제공하기 위해 PXI Express 스펙을 통과했습니다.
CompactPCI에 기반한 PXI는 계측 확장과 보다 엄격한 시스템 레벨 스펙을 통합하여 측정 및 자동화를 위한 개방형이면서도 고성능 스펙을 보장합니다. PXI 기반 DAQ 시스템의 장점으로는 산업용 어플리케이션에 존재하는 가혹한 조건을 견딜 수 있는 견고한 패키징이 있습니다.
또한 PXI 시스템은 모듈형 아키텍처를 제공하므로 단일 독립형 계측기와 동일한 공간에 여러 디바이스를 장착할 수 있으며, PCI 버스가 있는 데스크탑 컴퓨터의 용량 이상으로 시스템을 확장할 수 있습니다.
PXI가 제공하는 가장 중요한 이점 중 하나는 통합된 타이밍 및 트리거링 기능입니다. 외부 연결 없이, PXI 섀시의 백플레인에 상주하는 내부 버스를 사용하여 여러 디바이스를 동기화할 수 있습니다.
이더넷
그림 6. 세그먼트당 100m를 지원하고 기존 네트워크 인프라를 사용할 수 있는 이더넷 데이터 수집은 측정 시스템의 범위를 확장할 수 있습니다.
이더넷은 전 세계 거의 모든 기업 네트워크의 중추이므로 널리 사용 가능합니다. DAQ용 버스인 이더넷은 USB 케이블의 5 m 길이를 초과하는 거리에서 휴대용 또는 분산 측정을 수행하는 데 이상적입니다.
단일 이더넷 케이블은 허브, 스위치 또는 리피터가 필요하기 전에 100m를 연장할 수 있습니다. 실험실, 사무실 및 제조 시설의 대규모 네트워크 설치 기반과 결합된 이 거리는 이더넷을 원격 위치로 측정을 배포하는 데 이상적인 선택입니다. 사용 가능한 네트워크 대역폭은 네트워크로 연결된 디바이스의 개수에 따라 다르지만, 100BASE-T (100 Mbit/s) 이더넷은 최고 속도로 실행되는 여러 이더넷 DAQ 디바이스를 수용할 수 있습니다.
또한 기가비트 이더넷(1000BASE-T)은 여러 100BASE-T 네트워크 또는 대규모 시스템의 경우 고속 장치에서 데이터를 집계할 수 있습니다.
무선
그림 7. Wi-Fi 데이터 수집은 표준 802.11 네트워크를 사용하므로 측정 하드웨어와 호스트 PC 사이에 와이어가 필요하지 않습니다.
무선 기술은 PC 기반 데이터 수집의 유연성과 휴대성을 풍력 발전 단지나 토목 구조물과 같이 케이블이 불편하거나 실용적이지 않은 측정 어플리케이션으로 확장합니다. 무선은 케이블과 설치 시간을 제거하여 비용을 크게 절감할 수 있습니다.
그러나 무선은 다른 DAQ 버스 중 지연 시간이 가장 높기 때문에 고속 컨트롤 또는 결정성이 필요한 어플리케이션은 권장되지 않습니다. 다양한 무선 기술을 사용할 수 있습니다. 가장 인기있는 것은 IEEE 802.11 (Wi-Fi)입니다.
Wi-Fi는 설정하기 가장 쉬운 무선 기술 중 하나입니다. Wi-Fi "핫스팟"에 연결하는 것은 USB 케이블을 연결하는 것만 큼 익숙합니다. IT 부문에서 10 년 동안 사용 된 후 Wi-Fi도 안전합니다.
IEEE 802.11i(WPA2)는 128비트 AES 암호화 및 IEEE 802.1x 인증을 통해 현재까지 상업적으로 이용 가능한 가장 높은 무선 보안 표준입니다. 동적 파형 신호 스트리밍의 경우 Wi-Fi는 다른 무선 기술보다 더 많은 대역폭을 제공하므로 기계 상태 모니터링 및 기타 고속 애플리케이션에 이상적입니다.